第一章-建筑材料的基本性质

第一章建筑材料的基本性质土木工程材料的基本性质，是指材料处于不同的使用条件和使用环境时，通常必须考虑的最基本的、共有的性质。（1）材料的基本物理性质1密度材料在绝对密实状态下单位体积的质量用ρ表示。按下式计算：材料的绝对密实体积是指不包括材料孔隙在内的体积。钢材、玻璃等少数密实材料可根据外形尺寸求得体积。大多数有孔隙的材料，在测定材料的密度时，应把材料磨成细粉，干燥后用李氏瓶测定其体积。材料磨得越细，测得的密度数值就越精确。2表观密度材料在自然状态下单位体积的质量称为表观密度，用表示。按下式计算：材料在自然状态下的体积是指包含材料内部孔隙的体积。当材料孔隙内含有水分时，其质量和体积（可以忽略）均有所变化，故测定表观密度时，须注明其含水情况。按照含水状态分为：干表观密度、气干表观密度和饱和表观密度。孔隙的分类①按尺寸大小：微细孔隙（D＜0.01mm)细小孔隙（0.01mm＜D＜1mm)粗大孔隙（D>1mm)②孔隙的构造：开口孔隙闭口孔隙干表观密度（干燥状态）气干表观密度（与空气湿度有关平衡时的状态）饱和表观密度（吸水饱和状态）饱和表观密度（吸水饱和状态）3孔隙率在材料自然体积内孔隙体积所占的比例，称为材料的孔隙率，用Ρ表示。按下式计算：孔隙率=开口孔隙率+闭口孔隙率开口孔隙率Pk=闭口孔隙率Pb=4堆积密度散粒或粉状材料，如砂、石子、水泥等，在自然堆积状态下单位体积的质量称为堆积密度，用表示。按下式计算：由于散粒材料堆积的紧密程度不同，堆积密度可分为疏松堆积密度、振实堆积密度和紧密堆积密度。视密度：针对散粒状、粉状材料而言，根据测定方法（排液法）和计算公式实际上并非真正的密度，也不是表观密度值。5空隙率散粒材料自然堆积体积中颗粒之间的空隙体积所占的比例称为散粒材料的空隙率。用下式计算：6、材料的压实度与相对密度（较少使用）压实度=压实后土的干密度/土的最大干密度×100%材料与水有关的性质1材料的亲水性与憎水性亲水性：材料能被水润湿的性质亲水性材料：砖、木材、混凝土憎水性：材料不能被水润湿的性质憎水性材料：石蜡、沥青、油漆、塑料（a）亲水性材料（b）憎水性材料2吸水性和吸湿性吸水性：材料浸入水中吸收水的能力称为材料的吸水性，常用质量吸水率表示：m——材料干燥状态下的质量m1——材料吸水饱和状态下的质量体积吸水率：指材料吸水饱和时，所吸水分的体积占自然状态体积的百分率。吸水饱和状态时，吸入水的体积等于材料内开口孔隙的体积。因此体积吸水率等于开口孔隙率。质量吸水率与体积吸水率的关系为：工程中常用质量吸水率表示材料的吸水性。同一材料的吸水率基本是一固定值。吸湿性材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性，吸湿性常用含水率来表示。即平衡含水率：材料中的水分与周围空气的湿度达到平衡时的含水率，称为平衡含水率。3、材料的耐水性材料长期在水作用下不破坏，且其强度也不显著降低的性质称为耐水性，材料的耐水性用软化系数表示。可按下式计算：耐水性材料要求软化系数大于0.851).软化系数越小，说明材料吸水饱和后的强度降低越多，其耐水性越差。2).对经常处于水中或受潮严重的重要结构物（如地下构筑物、基础、水工结构）的材料，其K软≥0.85；4抗渗性材料抵抗压力水渗透的性质称为材料的抗渗性（不透水性）。dQdQHA抗渗等级抗渗等级指材料在标准试验方法下进行透水试验，以试件在透水前所能承受的最大水压力（0.1MPa）来确定的。如W6、W8表示材料能承受0.6、0.8ＭPa的水压而不渗水。影响抗渗性的主要因素（1）亲水性（2）孔隙率（3）孔隙特征5抗冻性材料在吸水饱和状态下，能经受多次冻融循环作用而不破坏，同时也不严重降低强度的性质称为抗冻性。抗冻性是指材料在吸水饱和状态下，抵抗冻融循环作用的能力。抗冻等级将材料吸水饱和后，按规定方法进行-20℃～+20℃度冻融循环试验，以质量损失不超过5％、强度下降不超过25％时，所能经受的最大冻融循环次数来确定。用符号“F”和最大冻融循环次数表示，如F25、F50、F100影响材料抗冻性的因素（1）孔隙率、孔隙特征（2）材料的强度、韧性（3）材料的软化系数（4）冻结条件：冻结温度、冻结速度、冻融循环作用的频繁程度1.某轻质板材，其密度为2.80g/cm3，干燥状态时表观密度为800kg/m3，测得其体积吸水率为66.4%，试计算该板的（1）质量吸水率（Wm）（2）闭口孔隙率（Pb）质量吸水率Wm为：（2）材料的孔隙率P为：材料的体积吸水率即为材料的开口孔隙率，因此闭口孔隙率为：Pb=P-Pk=71.4%-66.4%=5%（3）材料与热有关的性质1导热性材料传导热量的能力称为导热性。其大小用导热系数（λ）表示。λ=Q*a/A(T2-T1)t式中λ－导热系数（W/m.K）Q－传导的热量（J）A－平壁面积（m2）a－材料的厚度（m）t－传热时间（s）(T2-T1)－材料两侧温差（K）影响导热系数的因素无机材料的导热系数大于有机材料晶体的导热系数大于无定形体的导热系数材料的孔隙率愈大,即空气愈多,导热系数愈小；材料的含水率增加,导热系数也增加大多数材料的导热系数随温度和湿度升高而增加2热容量与比热材料加热时吸收热量，冷却时放出热量的性质，称为热容量。大小用比热表示公式Q=cm(T2－T1)式中Q－材料吸收或放出的热量（J）c－材料的比热(J/g.K)m－材料的质量（g）(T2－T1)－材料受热或冷却前后的温差（K)比热：c=Q/m(T2－T1)3材料的温度变形性材料的温度变形性是指温度升高或降低时体积变化的性质。一、弹塑性变形1弹性及弹性变形材料在外力作用下产生变形，当外力去除后能完全恢复到原始形状的性质称为弹性。材料的这种可恢复的变形称为弹性变形，弹性变形是可逆变形。弹性变形的大小与外力成正比，比例系数称为材料的弹性模量Ｅ。Ｅ为常数，其值为应力σ与应变ε之比，即弹性模量E是衡量材料抵抗变形能力的一个指标。Ｅ值愈大，材料愈不易变形，材料的刚度愈好。2塑性及塑性变形材料在外力作用下产生变形，当外力去除后，有一部分变形不能恢复，这种性质称为材料的塑性。这种不能恢复的变形称为塑性变形。塑性变形为不可逆变形。塑性阶段，应力与应变不成正比。3弹塑性材料的变形特征4、徐变与应力松弛徐变：固体材料在持久荷载作用下，变形随时间的延长而逐渐增加的现象。产生的原因：非晶体材料黏性流动晶体材料晶格位错、晶体滑移影响徐变的因素：应力松弛材料在持久荷载作用下，若所产生的变形因受到约束而不能增大时，则其应力将随着时间的延长而逐渐减小。(2)材料的强度材料在外力作用下抵抗破坏的能力称为材料的强度。以外力破坏时单位面积上所承受的外力（拉力、压力、剪力等）表示。2材料的抗拉、抗压和抗剪强度3影响材料强度的外界因素1、试件的形状相同底面积的试件，高度越大，强度值越小。2试件尺寸随着尺寸的变大，强度测定值逐渐减小3、加荷速度加荷速度越快，测定的强度值越大4、试验环境的温湿度4材料的强度等级按强度值的高低划分为若干等级，即材料的强度等级。脆性材料按抗压强度划分：如岩石、砖和混凝土等。钢材按抗拉屈服强度划分。石材按极限抗压强度分9个等级：MU10～MU100；烧结普通砖按抗压强度分5个等级：MU10～MU30；普通混凝土按抗压强度分12个等级：C7.5～C60；碳素结构钢按抗拉屈服强度分5个牌号：Q195～Q275。5比强度材料的强度与其表观密度比值，是衡量材料轻质高强性能的重要指标。（3）脆性和韧性1脆性材料在外力作用下，当外力达一定值时，材料发生突然破坏，且破坏时无明显的塑性变形，这种性质称为脆性。具有这种性质的材料称脆性材料。2脆性材料特性抗压强度大于抗拉强度破坏时应变小承受冲击和震动能力差宜做承压构件，如砖、石材、混凝土等3韧性材料在冲击或震动荷载作用下能承受较大变形不致破坏的性质。韧性材料的变形能力大，且抗拉强度几乎与抗压强度相等。如低碳钢、低合金钢等属于韧性材料。（4）硬度与耐磨性1硬度硬度是指材料表面抵抗硬物压入或刻划的能力。莫氏硬度（HM）：采用刻划法，并与十个硬度标准比较，确定硬度。布氏硬度（HB）：采用压入法，用压痕单位面积上所受的压力表示。肖氏硬度（HS）：采用回弹法，用重锤的回弹高度作硬度的相对值。2耐磨性材料表面抵抗磨损和磨耗的能力叫做材料的耐磨性。3、材料的耐久性

耐久性是材料在长期使用过程中，抵抗自身及环境因素长期破坏作用，保持原有性能而不变质、不破坏的能力。耐久性是一个综合性概念，针对不同的破坏因素，耐久性有不同的内容。物理作用：温度变化、干湿变化、冻融循环作用化学作用：酸、碱、盐等溶液的侵蚀机械作用：持续荷载生物作用：菌类、昆虫金属材料：锈蚀沥青及高分子材料：老化木材、植物：腐蚀、腐朽混凝土：碳化、碱集料反应等提高耐久性的意义耐久性良好的建筑材料，才能保证建筑物的耐久性。提高材料的耐久性，对节约建筑材料、保证建筑物长期正常使用、减少维修费用、延长建筑物使用寿命等均有十分重要的意义。4、材料的组成、结构和构造对材料性质的影响

（1）材料的组成：化学组成、矿物组成（2）结构：宏观结构、亚微观结构和微观结构（3）构造：材料的宏观组织状况（1）材料的组成1化学组成指构成材料的化学元素及化合物的种类及数量。如锌铝合金：锌97%、铝3%水泥化合物组成：SiO220~24%CaO62~67%Fe2O32.5~6.0%AL2O34~7%MgO<5%化学组成直接决定材料的化学性质、物理性质、力学性质等重要因素2矿物组成①矿物：指无机非金属材料中具有特定的化学成分、晶体结构和物理力学性质的物质。如：3CaO.SiO22CaO.SiO2长石石英云母方解石②矿物组成指构成材料的矿物种类和数量。如水泥的矿物组成：花岗岩的矿物组成：3CaO.SiO237~60%长石石英云母角闪石2CaO.SiO215~37%玄武岩的矿物组成：3CaO.AL2O37~15%斜长石橄榄石辉石4CaO.AL2O3.Fe2O310~18%（2）材料的结构1宏观结构2亚微观结构3微观结构1宏观结构指用肉眼或放大镜能够分辨的材料组织，其尺寸在10-3m级以上。如材料的孔隙，裂缝以及岩石的节理和木材的纹理等。①．致密结构：钢材、玻璃②．纤维结构：木材、岩棉③．多孔材料：加气混凝土、石膏制品④．层状结构：胶合板、纸面石膏板⑤．散粒结构：砂子、碎石2亚微观结构用光学显微镜能观察到的材料组织，尺寸范围在10-3mm以上。主要研究组成物质的单个粒子的形貌。3微观结构微观结构是指组成材料的原子、分子层次的结构。可用电子显微镜来分析研究该层次上的结构特征。微观结构的尺寸范围在10-6～10-10m。微观结构分为：（1）晶体结构；（2）非晶体结构（玻璃体）；（3）胶体结构。（1）晶体结构内部质点（离子、原子、分子）在空间上按特定规则呈周期性排列时的结构。（2）晶体结构特点单晶体：（1）质点在空间上呈周期性排列（2）具有特定的几何外形（3）具有各向异性的性质（4）具有固定的熔点和化学稳定性多晶体（单晶体聚集）：各向同性（3）晶体结构分类：①原子晶体：石英、金刚石②离子晶体：CaCl2、NaCl③金属晶体：钢铁,铝,镁④分子晶体：合成高分子材料①原子晶体结合：原子以共价键结合。特性：较高的强度、硬度和密度；电、热的不良导体种类：石英、刚玉、金刚石等。②离子晶体结合：正负离子以离子键结合而